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纯电动汽车锂离子电池组均衡策略研究及系统实现

郝晓伟  
【摘要】:作为纯电动汽车能量载体的锂离子电池组由大量单体电池串联组成,由于不一致性问题的存在,电池组的使用性能取决于同组电池中性能较差的单体,其余单体性能得不到充分发挥,影响电池组的容量利用率,不一致性还会导致电池组循环寿命远低于单体电池,从而影响纯电动汽车的续驶里程和使用成本,不利于电动汽车的推广应用。目前来说,利用均衡控制技术建立锂离子电池组均衡系统是改善电池组不一致性的有效方法。 电池组均衡管理模块是电池管理系统的重要功能模块之一,在纯电动汽车使用过程中根据电池组状态信息对电池组进行实时均衡管理可以避免不一致性的扩大,提高电池组容量利用率,并能在一定程度上减缓电池组老化速度。 目前国内外对电池组均衡技术的研究主要集中在均衡策略研究和均衡电路拓扑结构研究两个方面。选择合适的均衡变量是制定合理均衡控制策略的前提,电压和荷电状态(State Of Charge, SOC)是目前常用的均衡变量,后者存在的估算精度低的问题制约了其应用。均衡电路拓扑结构从总体上可分为耗散型和非耗散型,非耗散型均衡电路是目前研究的热点,目前已提出的方案包括电容型、变换器型、隔离式变压器型等多种构型,但完全适合纯电动汽车动力电池组特点的完美构型还没有出现。 本文针对锂离子电池组不一致性问题展开研究并在此基础上搭建了一套均衡系统,主要开展的工作如下: 1.首先对锂离子电池组不一致性产生的原因和解决方法进行了分析,指出均衡系统对在使用过程中降低电池组不一致性的重要意义。分别从开路电压、工作电压、SOC三个方面分析了电池组不一致性的具体表现,指出开路电压和工作电压能够在某一阶段反映电池组的不一致性,考虑到SOC估算精度较低,选取开路电压和工作电压作为系统均衡变量; 2.对常见均衡电路拓扑结构的特点进行了对比分析,选取基于Buck-Boost电路的能量非耗散型拓扑结构作为所开发均衡系统的基本均衡电路结构。综合考虑了描述系统波动情况的常用统计学概念,选取电压极差作为系统不一致性状态识别的指标,并针对电池组可能的工作阶段提出了相等均衡、均值均衡、顶部均衡和底部均衡四种控制策略,仿真结果证明了策略的有效性; 3.选用主从式方案作为均衡系统的总体架构,之后分别从硬件和软件两个方面对均衡系统进行了详细设计,并制定了基于MOSBUS的标定协议; 4.通过台架试验验证了系统能够较好的改善电池组不一致性,提高电池组容量利用率。


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